CN110092475A

CN110092475A - 一种铁碳微电解耦合沉水植物模块及其应用

Info

Publication number: CN110092475A
Application number: CN201910264485.8A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 胡勇有; 谢玲彩
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2019-08-06

Abstract

本发明公开一种铁碳微电解耦合沉水植物模块及其应用。该模块包括沉水植物***和曝气***，所述沉水植物***包括定植篮和沉水植物，所述定植篮中固定有沉水植物，沉水植物根部被铁碳填料包裹并固定，所述沉水植物被陶粒固定于所述定植篮中；所述曝气***为水下曝气或表面曝气。该铁碳微电解耦合沉水植物模块应用在黑臭/富营养化水体修复中，可实现2天黑臭/富营养化水体色度、臭阈值明显降低，10d无恶臭气味，水体透明度明显上升，COD去除率达70％以上，氨氮去除率达95％以上，脱氮率达60％以上，除磷率达95％以上，溶解氧达到2.5～5.5mg/L，透明度能达到35～70cm，水体微生物种类增加。

Description

一种铁碳微电解耦合沉水植物模块及其应用

技术领域

本发明属于黑臭/富营养化水体修复领域，特别涉及一种铁碳微电解耦合沉水植物模块及其应用。

背景技术

由于工农业的快速粗放式发展以及污水收集处理率的滞后，目前我国的很多河流，湖泊水质恶化严重，大量污染物入河，水体中化学需氧量、氮、磷等污染物超标，河流水体污染严重，水体出现季节性或终年黑臭。河流的“黑臭”不仅给人感官刺激使人感到心情不悦，而且，黑臭水体散发的气体(硫化氧、氨气等)可直接危害人体健康，黒臭水体呈缺氧状态，影响水体中的鱼类以及其他水生生物，正常生长和发育，严重时会导致水生生物大量死亡，河流水生态***完全破坏，严重威胁河道湖泊自身生态***健康和周边居民的饮用水安全，也极大阻碍了沿岸工农业的可持续发展。因此，消除城市河流黑臭、改善城市水环境质量已刻不容缓，研发廉价便捷，安全高效快速的修复技术已迫在眉睫。

水体在纳入一定的污染物后，在物理、化学和生物等因素的综合作用下，使污染物浓度及数量降低，使受污染的水体恢复到污染前的状态，恢复其正常的生态功能，这种现象叫做“水体自净”。然然而，当大量的污染物质排入水体后，水体自净能力远远小于排入量后，水体便产生黑臭。水体受污染后，首先是好养微生物将含氮、碳等大分子有机物降解为小分子有机物，最后转变为水和CO₂。随着进一步的降解，水体中的溶解氧进一步被消，当水体趋于厌氧环境后，厌氧微生物大量繁殖。在厌氧环境中，厌氧微生物将有机物分解产生大量含臭气体，如CH₄、H₂S、NH₃等其它有异味的气体，这些气体逸出水面后进入大气，使水体发臭。另外，CH₄、H₂S等在逸出水面过程中会携带难溶性颗粒物进入水体，从而使水体发黑。厌氧环境会造成水体中的Fe、Mn等重金属被还原，与S结合形成FeS、MnS等，使水体变黑。目前致黑臭机理尚不明确，但普遍认为黑臭水体具有高有机污染负荷、氮、磷、Fe、S、Mn和低DO，低透明度以上几个特征。

目前国内外对黑臭水体处理技术的研究，主要有物理(截污，清淤，换水)、化学(投加絮凝剂，投加重金属固定剂，强氧化剂)、生物(微生物强化技术，底泥生物氧化技术，植物修复技术)。单一的物理、化学、生物方法虽然能在一定程度上治理黑臭水体,但存在着诸如治理效果不理想、成本过高、产生二次污染、治理效果难以保证长期性等缺点或不足。相比之下，近年来，生物-生态法治理按照仿生物学理论转移、转化及降解水中污染物，实现对自然界水体自净能力的强化和恢复，是稳定和长效改善水环境质量的重要手段，正因为由于生物-生态法具有处理效果好，运行成本低廉、工程造价较低、可与绿化环境及景观改善相结合等优点，是最具有发展前景的黑臭河水治理技术。在修复黑臭/富营养化水体的同时构建具有完整营养级结构的水生态***，从根本上恢复黑臭/富营养化水体的自净能力和生态功能，但依然存在以下问题：一是生物-生态法需要在水体环境逐渐改善的情况下进行，比如水体的营养盐浓度、水体透明度、酸碱度、溶解氧严重超标，会严重影响生物-生态法对黑臭/富营养化水体的修复效果；二是容易受季节影响，低温下植物生长缓慢，生物降解效率非常低，；三是大多数受污染城市地表水C/N较低，且存在很难被微生物降解的COD，影响微生物脱氮效果。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，解决现有的黑臭/富营养化水体治理技术中存在的治理效果不理想、成本过高、产生二次污染、治理效果难以保证长期性等问题、同时克服生物-生态法需改善生境，受季节及可利用碳源制约技术缺陷，本发明的首要目的在于提供一种铁碳微电解耦合沉水植物模块。

本发明的另一目的在于提供上述铁碳微电解耦合沉水植物模块的应用。

一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，包括沉水植物***和曝气***，所述沉水植物***包括定植篮和沉水植物，所述定植篮中固定有沉水植物，沉水植物根部被铁碳填料包裹并固定，固定后四周被陶粒包围，所述沉水植物被陶粒固定于所述定植篮中；所述曝气***为水下曝气或表面曝气。

优选的，所述铁碳填料和陶粒的质量比为1:3～1:20。

优选的，所述铁碳填料的粒径为2～6mm。

优选的，所述铁碳填料为在中性条件下作用的铁碳填料。

优选的，所述铁碳填料为烧结式也可是铁屑与活性炭混合式。

优选的，所述陶粒为球形，粒径为2～5mm，孔隙率≥40％。

优选的，所述曝气***为间歇式曝气，2～8h/天，一般在前2d曝气。

优选的，所述定植篮采用塑料材料制备而成。

优选的，所述定植篮是镂空的，但能保障所述陶粒和铁碳填料不会漏出。

优选的，所述定植篮中固定有1～7株沉水植物。

优选的，所述沉水植物为苦草、菹草、伊乐藻、金鱼藻、狐尾藻和黑藻中一种或两种以上。

优选的，所述沉水植物根部被铁碳填料包裹并固定具体为：用土工布或厨房地漏袋固定。

所述铁碳微电解耦合沉水植物模块在黑臭/富营养化水体修复中的应用。

优选的，所述铁碳微电解耦合沉水植物模块在黑臭/富营养化水体修复中的应用中，定植篮的投放量为10～60个/平方米。

本发明所述铁碳微电解耦合沉水植物模块在实际应用中，根据水体的深浅程度，可做成铁碳微电解耦合沉水植物沉床，包括沉床装置和铁碳微电解耦合沉水植物模块，所述沉床装置包括托板、浮球和固定架，所述托板上设置有凹槽，所述定植篮固定于凹槽中。

采用铁碳微电解耦合沉水植物快速修复黑臭/富营养化水体的作用机理为：陶粒对黑臭/富营养化水体中的有机物、氮、磷有吸附作用，能为微生物提供附着点，促进微生物生长与代谢；沉水植物较为发达的植物根系可吸收营养盐、重金属或有机污染物并富集于植物体内在沉水植物根区形成好氧、兼氧、厌氧区域，辅助曝气以提高水体溶解氧和氧化还原电位，根际富集微生物实现同步硝化反硝化脱氮并促进植物对氮磷的吸收；铁元素是微生物电子传递链的重要组成部分，其可介入微生物物质与能量代谢过程，可提高生化反应速度，增强生物代谢反应的活性，提高水体的NH⁴⁺-N和NO^3--N去除效率；铁与碳组成的原电池反应，可将水体中的大分子有机物分解为小分子有机物，降低生物毒性，利于微生物的降解；铁碳微电解阳极生成的Fe²⁺与阴极表面生成H₂也能有效促进微生物代谢和硝化与反硝化作用，有利于反硝化脱氮；阳极氧化过程中释放的Fe²⁺及氧化产生的Fe³⁺与上覆水PO₄ ^3-反应生成稳定的FePO₄沉淀除磷，并通过吸附共沉淀去除部分COD；物理吸附、微电解作用、FePO₄沉淀、土著微生物代谢、植物吸收协同作用从而能快速有效的改善水体生态环境，使黑臭/富营养化水体回归生态平衡，促进恢复水体自净能力和生态功能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明可实现2d黑臭/富营养化水体色度、臭阈值明显降低，10d无恶臭气味，水体透明度明显上升，COD去除率达70％以上，氨氮去除率达95％以上，脱氮率达60％以上，除磷率达95％以上，溶解氧达到2.5-5.5mg/L，透明度能达到35-70cm，水体微生物种类增加，且出现浮游动物(如水瘙类)，水生态***恢复，水体修复后六个月未有黑臭反复，效果且不受季节与可利用碳源不足影响。

附图说明

图1为本发明所述的一种铁碳微电解耦合沉水植物模块示意图。

图2为本发明所述的铁碳微电解耦合沉水植物模块组装成沉床的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例所述的黑臭水体取自于广州黄浦区四号涌，所述铁碳填料为市售铁碳产品，所述陶粒为市售轻质建筑用陶粒。

实施例1

一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，定植篮中有6株苦草，苦草根部由10g铁碳填料包裹，用厨房用地漏袋固定，固定后用50g陶粒固定于定植篮中，试验第1d采用间歇曝气4h，2h/次。

取10L黑臭水体于模拟反应装置中，反应装置为一圆柱体的塑料桶(桶体直径为30cm，高度为30cm)，取6个上述的铁碳微电解耦合沉水植物模块放入反应装置中，此时，定植篮及沉水植物完全被黑臭水体淹没。

黑臭水体的初始水质指标参数如表1所示。2天黑臭水体色度、臭阈值明显降低，10d后无恶臭气味，水体透明度明显上升，COD去除率达76％，氨氮去除率达98％，脱氮率达62％，除磷率达97％，溶解氧4.6mg/L，透明度达到30cm，水体微生物种类，水生态***恢复，装置运行六个月后未有黑臭反复，且水体中出现浮游生物，效果且不受季节与可利用碳源不足影响。

表1黑臭水体的初始水质指标参数

实施例2

一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，定植篮中有5株苦草，苦草根部由5g铁碳填料包裹，用如厨房用白色地漏袋固定，固定后用60g陶粒固定于定植篮中，试验第1d采用间歇曝气6h，3h/次。

黑臭水体的初始水质指标参数为：COD为105.62mg/L，氨氮为36.65mg/L，TP为2.80mg/L，DO为0.35mg/L。处理2天后黑臭原水颜色变浅，7d无恶臭气味，21d后COD为21.40mg/L，氨氮为0.46mg/L，TP为0.02mg/L，DO为4.1mg/L，透明度达到30cm，水体微生物种类增加，水生态***恢复，装置运行六个月后未有黑臭反复，且水体中出现浮游生物，效果且不受季节与可利用碳源不足影响。

实施例3

一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，定植篮中有4株苦草，苦草根部由10g铁碳填料包裹，用厨房用地漏袋固定，固定后用80g陶粒固定于定植篮中，试验第1d采用间歇曝气8h，4h/次。

黑臭水体的初始水质指标参数为：COD为65.5mg/L，氨氮为23.25mg/L，TP为2.54mg/L，DO为0.13mg/L。处理2天后黑臭原水颜色变浅，21d后COD为14.41mg/L，氨氮为0.25mg/L，TP为0.08mg/L，DO为4.5mg/L，透明度达到30cm，水体微生物种类增加，水生态***恢复，装置运行六个月后未有黑臭反复，且水体中出现浮游生物，效果且不受季节与可利用碳源不足影响。

在实际应用中，根据水体的深浅程度，本发明所述铁碳微电解耦合沉水植物模块可组装成沉床，包括沉床装置和铁碳微电解耦合沉水植物模块，所述沉床装置包括托板、浮球和固定架，所述托板上设置有凹槽，所述定植篮固定于凹槽中；所述沉水植物浸没于水下30～40cm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，包括沉水植物***和曝气***，所述沉水植物***包括定植篮和沉水植物，所述定植篮中固定有沉水植物，沉水植物根部被铁碳填料包裹并固定，固定后四周被陶粒包围，所述沉水植物被陶粒固定于所述定植篮中；所述曝气***为水下曝气或表面曝气。

2.根据权利要求1所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述铁碳填料和陶粒的质量比为1:3～1:20。

3.根据权利要求2所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述铁碳填料的粒径为2～6mm；所述陶粒为球形，粒径为2～5mm，孔隙率≥40％。

4.根据权利要求1～3任一项所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述铁碳填料为在中性条件下作用的铁碳填料。

5.根据权利要求4所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述曝气***为间歇式曝气，曝气时间为2～8h/天。

6.根据权利要求5所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述定植篮采用塑料材料制备而成。

7.根据权利要求6所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述定植篮是镂空的；所述定植篮中固定有1～7株沉水植物。

8.根据权利要求1所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述沉水植物为苦草、菹草、伊乐藻、金鱼藻、狐尾藻和黑藻中一种或两种以上。

9.根据权利要求1所述一种铁碳微电解耦合沉水植物模块，其特征在于，所述沉水植物根部被铁碳填料包裹并固定具体为：用土工布或厨房地漏袋固定。

10.权利要求1～9任一项所述铁碳微电解耦合沉水植物模块在黑臭/富营养化水体修复中的应用。